6. Design af op-amp kretser

Design af op-amp kretser

Når konfigurationen af ​​et op-amp system er givet, kan vi analysere det system til at bestemme output i form af input. Vi udfører denne analyse ved hjælp af den ovenfor beskrevne procedure (i dette kapitel).

Hvis du nu vil design et kredsløb, der kombinerer både inverterende og ikke-inverterende indgange, er problemet mere komplekst. I et designproblem gives en ønsket lineær ligning, og op-amp-kredsløbet skal være designet. Den ønskede udgang fra operationsforstærker sommeren kan udtrykkes som en lineær kombination af input,

(30)

hvor X1, X2 ...Xn er de ønskede gevinster ved de ikke-inverterende indgange og Ya, Yb ...Ym er de ønskede gevinster ved de inverterende indgange. Ligning (30) er implementeret med kredsløbet i figur (14).

Ideel driftsforstærker, Design af op-amp kretser

Figur 14- Flere indgangssommer

Dette kredsløb er en lidt modificeret version af kredsløbet i figur (13) (Inverterende og ikke-inverterende indgange).

Ideel operationel forstærker, operationsforstærker

Figur 13-Inverterende og ikke-inverterende indgange

Den eneste ændring, vi har foretaget, er at inkludere modstande mellem op-amp-indgangene og jorden. Jorden kan ses som en yderligere indgang på 0 volt forbundet via den tilsvarende modstand (Ry for den inverterende indgang og Rx for ikke-inverterende input). Tilsætningen af ​​disse modstande giver os fleksibilitet i at opfylde eventuelle krav ud over Equation (30). F.eks. Kan input-modstandene angives. Enten eller begge disse yderligere modstande kan fjernes ved at lade deres værdier gå til uendelig.

Ligning (29) fra det foregående afsnit viser, at modstandernes værdier, Ra, Rb, ...Rm , R1, R2, ...Rn er omvendt proportional med de ønskede gevinster forbundet med de respektive indgangsspændinger. Med andre ord, hvis en stor forstærkning ønskes ved en bestemt indgangsterminal, er modstanden ved den terminale lille.

Når den operationelle forstærker's åbne loopforstærkning, G, er stor, kan udgangsspændingen skrives i forhold til modstandene forbundet til operationsforstærkeren som i ligning (29). Ligning (31) gentager dette udtryk med let forenkling og med tilsætning af modstanderne til jorden.

(31)

Vi definerer to tilsvarende modstande som følger:

(32)

ANSØGNING

Analyser følgende kredsløb ved hjælp af TINACloud for at bestemme Vud i form af input spændinger ved at klikke på linket herunder.

Multiple Input Summer Circuit Simulation af TINACloud

Multiple Input Summer Circuit Simulation af TINACloud

Multiple Input Summer Circuit Simulation af TINACloud

Vi ser at udgangsspændingen er en lineær kombination af indgange, hvor hver indgang divideres med den tilhørende modstand og multipliceres med en anden modstand. Multiplikationsmodstanden er RF til inverterende indgange og Req til ikke-inverterende indgange.

Antallet af ukendte i dette problem er n + m +3 (dvs. de ukendte modstandsværdier). Vi skal derfor udvikle sig n + m +3 ligninger for at løse disse ukendte. Vi kan formulere n + m af disse ligninger ved at matche de givne koefficienter i ligning (30). Det vil sige, vi udvikler simpelthen systemet af ligninger fra ligninger (30), (31) og (32) som følger:

(33)

Da vi har tre flere ukendte, har vi fleksibiliteten til at tilfredsstille tre yderligere begrænsninger. Typiske yderligere begrænsninger omfatter indgangsbestandighed overvejelser og har rimelige værdier for modstandene (f.eks. Du vil ikke have brug for en præcisionsmodstand til R1 svarende til 10-4 ohm!).

Selvom det ikke kræves for design ved hjælp af ideelle op-ampere, vil vi bruge et designbegrænsning, der er vigtigt for ikke-ideelle op-ampere. For den ikke-inverterende op-amp, er Thevenin-modstanden, der ser tilbage fra den inverterende indgang, normalt gjort lig med den, der ser tilbage fra den ikke-inverterende indgang. For konfigurationen vist i figur (14) kan denne begrænsning udtrykkes som følger:

(34)

Den sidste ligestilling skyldes definitionen af RA fra ligning (32). Ved at erstatte dette resultat til ligning (31) giver det en begrænsning,

(35)

(36)

Ved at erstatte dette resultat til ligning (33) giver det simple sæt af ligninger,

(37)

Kombinationerne af ligning (34) og ligning (37) giver os de nødvendige oplysninger til at designe kredsløbet. Vi vælger en værdi af RF og derefter løse for de forskellige input modstande ved hjælp af ligning (37). Hvis modstandernes værdier ikke er i et praktisk område, går vi tilbage og ændrer værdien af ​​feedbackmodstanden. Når vi først har løst for indgangsmodstandene, bruger vi Equation (34) til at tvinge modstandene til at ligne tilbage fra de to op-amp-indgange. Vi vælger værdier af Rx , Ry at tvinge denne lighed. Mens ligninger (34) og (37) indeholder de væsentligste oplysninger til designet, er en vigtig overvejelse, om modstandene skal inkluderes mellem op-amp-indgange og jord (eller ikke)Rx , Ry). Løsningen kan kræve, at iterationer opnår meningsfulde værdier (dvs. du kan udføre løsningen en gang og komme op med negative modstandsværdier). Af denne grund præsenterer vi en numerisk procedure, som forenkler mængden af ​​beregninger[1]

Ligning (34) kan omskrives som følger:

(38)

Ved at erstatte ligning (37) i ligning (38) opnår vi,

(39)

Husk at vores mål er at løse modstandsværdierne i form af Xi , Yj. Lad os definere summeringsbetingelser som følger:

(40)

Vi kan derefter omskrive Equation (39) som følger:

(41)

Dette er udgangspunktet for vores designprocedure. Husk det Rx , Ry er modstandene mellem henholdsvis jord og ikke-inverterende og inverterende indgange. Feedbackmodstanden er angivet RF og et nyt udtryk, Z, defineres som

(42)

Tabel (1) -Summing Forstærker Design

Vi kan eliminere enten eller begge modstande, Rx , Ry, fra kredsløbet i figur (14). Det vil sige, at begge eller begge disse modstande kan indstilles til uendelig (dvs. åbne kredsløb). Dette giver tre designmuligheder. Afhængigt af de ønskede multiplikationsfaktorer, der relaterer output til input, vil et af disse tilfælde give det passende design. Resultaterne er opsummeret i tabel (1). 

Kredsløbsdesign med TINA og TINACloud

Der er flere værktøjer til rådighed i TINA og TINACloud til operationsforstærker og kredsløbsdesign.

Optimering

TINAOptimeringstilstand ukendte kredsløbsparametre kan bestemmes automatisk, så netværket kan producere en foruddefineret måludgangsværdi, minimum eller maksimum. Optimering er ikke kun nyttig i kredsløbsdesign, men også i undervisning til at konstruere eksempler og problemer. Bemærk, at dette værktøj ikke kun fungerer til ideelle op-forstærkere og lineære kredsløb, men til ethvert ikke-lineært kredsløb med ægte ikke-lineære og andre enhedsmodeller.

Overvej det omvendte forstærkerkreds med en ægte operationsforstærker OPA350.

Ved standardindstillingen af ​​dette kredsløb er udgangsspændingen i kredsløbet 2.5

Du kan nemt kontrollere dette ved at trykke på DC-knappen i TINACloud.

ANSØGNING

Analyser følgende kredsløb ved hjælp af TINACloud online kredsløbssimulator for at bestemme Vud i form af input spændinger ved at klikke på linket herunder.

OPA350 Circuit Simulation med TINACloud

OPA350 Circuit Simulation med TINACloud

OPA350 Circuit Simulation med TINACloud

Antag nu, at vi ønsker at indstille denne spænding ved at ændre Vref spændingen i det skematiske design.

Hvis du vil forberede dette, skal vi vælge målet Out = 3V og kredsløbsparameter, der skal bestemmes (Optimeringsobjekt) Vref. For dette objekt bør vi også definere en region, der hjælper søgningen, men også repræsenterer begrænsningerne.

For at vælge og indstille optimeringsmålet i TINACloud skal du klikke på Vout Voltage pin og indstille optimeringsmålet til Ja

Klik derefter på knappen ... på samme linje og indstil værdien til 3.

Tryk på OK i hver dialog for at afslutte indstillingerne.

Lad os nu vælge og indstille Vref-optimeringsobjektet.

Klik på Vref derefter på knappen ... i samme linje

Vælg Optimeringsobjekt i listen på toppen og sæt afkrydsningsfeltet Optimalisering / objekt.

Tryk på OK i begge dialoger.

Hvis optimeringsindstillingerne lykkedes, vil du se et >> -tegn ved udgang og et << -tegn ved Vref som vist nedenfor.

Vælg nu Optimering fra menuen Analyse, og tryk på RUN i dialogboksen Optimering.

Efter fuldførelse af optimeringen vil den fundne Vref, den optimale værdi, blive vist i dialogboksen DC optimering

Du kan studere indstillingerne og køre Optimering online og kontrollere ved Circuit Simulation ved hjælp af linket herunder.
Kør Optimering fra menuen Analyse, tryk derefter på DC-knappen, så se resultatet i Optimeret kredsløb (3V)

Online optimering og Circuit Simulation med TINACloud

Bemærk, at der kun er en simpel DC optimering på dette tidspunkt i TINACloud. Flere optimeringsfunktioner er inkluderet i offline versionen af ​​TINA.

AC optimering

Brug af offline-versionen af ​​TINA kan du optimere og omkonstruere AC-kredsløb også.

Åbn MFB 2nd Order Chebyshev LPF.TSC low-pass-kredsløb, fra Eksempler \ Texas Instruments \ Filters_FilterPro mappe af TINA, vist nedenfor.

Kør AC Analyse / AC Transfer Karakteristik.

Følgende diagram vises:

Kredsløbet har enhed (0dB) Gain og 1.45kHz Cutoff frekvens.

Lad os nu omdanne kredsløbet ved hjælp af AC optimering og Indstil lavfrekvensforøgelsen til 6dB og Cutoff-frekvensen til 900Hz.

Bemærk det er normalt, at optimeringsværktøjet kun gælder for ændringer. I tilfælde af filtre kan du helst bruge et filterdesignværktøj. Vi vil behandle det emne senere.

Nu bruger Optimering Gain og Cutoff-frekvensen optimeringsmålene.

Klik på ikonet "Vælg optimeringsmål" på værktøjslinjen eller i analysemenuen "Vælg optimeringsmål"

Markøren ændres til ikonet: . Klik på Vout Voltage pin med det nye markør symbol.

Følgende dialog vises:

Klik på knapperne AC målfunktioner. Følgende dialog vises:

Marker afkrydsningsfeltet Low Pass, og indstil Target cut-off frekvensen til 900. Marker nu afkrydsningsfeltet Maksimum og indstil målet til 6.

Vælg derefter de kredsløbsparametre, som du vil ændre for at nå optimeringsmålene.

Klik på knappen   symbol eller linjen Select Control Object på analysemenuen.

Markøren ændres til symbolet ovenfor. Klik på C1 kondensatoren med denne nye markør. Følgende dialog vises:

Tryk på vælgerknappen. Følgende dialog vises:

Programmet indstiller automatisk en rækkevidde (begrænsning), hvor den optimale værdi vil blive søgt. Slutværdi til 20n som vist ovenfor.

Gentag nu den samme procedure for R2. Indstil slutværdien til 20k.

Når du har afsluttet optimeringsopsætningen, skal du vælge Optimering / AC optimering (Overførsel) fra menuen Analyse.

Følgende dialog vises:

Godkend standardindstillingerne ved at trykke på OK.

Efter en kort beregning er det optimale fundet, og ændrede komponentparametre vises:

Endelig tjek resultatet med kredsløbssimulering kørsel Kør AC Analyse / AC Transfer Karakteristik.

Som vist på diagrammet er målværdierne (Gain 6db, Cut-off frequency 900Hz) nået.

Brug af Circuit Designer Tool i TINA og TINACloud

En anden metode til at designe kredsløb i TINA og TINAcloud bruger det indbyggede Circuit Designer værktøj kaldet simpelthen Design Tool.

Designværktøj arbejder med konstruktionsligningerne for dit kredsløb for at sikre, at de angivne indgange resulterer i det angivne outputrespons. Værktøjet kræver en erklæring af input og output og forholdet mellem komponentværdierne. Værktøjet tilbyder dig en løsningsmotor, som du kan bruge til at løse gentagne og præcise forhold til forskellige scenarier. De beregnede komponentværdier indstilles automatisk i skematisk, og du kan tjekke resultatet ved simulation.

Lad os designe AC-forstærkningen af ​​det samme kredsløb ved hjælp af vores Circuit Designer-værktøj.

Åbn kredsløbet fra Design Tool-mappen i TINACloud. Følgende skærmbillede vises.

Lad os nu køre AC Analysis / AC Transfer Characteristic.

Følgende diagram vises:

Lad os nu omkonstruere kredsløbet for at få enhedsgevinst (0dB)

Indtast Redesign this Circuit fra menuen Funktioner

Følgende dialogboks vises.

Indstil Gain til -1 (0 dB) og tryk på knappen Kør.

De beregnede nye komponentværdier vises straks i den skematiske editor, tegnet i rød farve.

Tryk på Accept knappen.

Ændringerne vil blive afsluttet. Kør AC Analyse / AC Transfer Characteristics igen for at kontrollere det omdesignede kredsløb.

 

 

—————————————————————————————————————————————————— —-

1Denne teknik blev udtænkt af Phil Vrbancic, en studerende ved California State University, Long Beach, og præsenteret i et papir indsendt til IEEE Region VI Prize Paper Contest.